楊新宇,雷廷萬,鐘 昆,張 翰,劉 寬
(航空工業(yè)成都飛機設(shè)計研究所,成都 610031)
近年來世界各國反介入/區(qū)域拒止能力不斷發(fā)展。在國土防空領(lǐng)域,防空作戰(zhàn)體系通過構(gòu)建全域殺傷網(wǎng)絡(luò),正在逐步完善全域感知、全域指控、全域打擊的能力。單一的作戰(zhàn)飛機平臺在遂行低空低速的偵察或?qū)Φ卮驌羧蝿?wù)時,面臨著敵方防空作戰(zhàn)體系的探測、干擾和攻擊,其單獨作戰(zhàn)不具備足夠的安全性,或者在具備安全性的前提下不具備對目標(biāo)偵察、毀傷的有效性。因此,在今后的一段時間內(nèi),多機間的協(xié)同作戰(zhàn)將會是主流趨勢。
多機間的協(xié)同,其核心主旨是借助不同分工的飛機,形成分布、廣域、彈性的作戰(zhàn)能力,以期對主戰(zhàn)裝備起到作戰(zhàn)能力擴展、作戰(zhàn)資源補充、作戰(zhàn)任務(wù)分擔(dān)的作用。多機間的協(xié)同,本質(zhì)上是多機在同一時間,某一任務(wù)區(qū)域為達(dá)成同一作戰(zhàn)意圖的作戰(zhàn)行動。在多機協(xié)同中,從地面起飛的僚機受制于飛行速度、空域協(xié)同、數(shù)據(jù)融合等問題,很難快速準(zhǔn)確伴隨長機完成協(xié)同任務(wù)。
載機平臺和無人子機實施協(xié)同偵察探測的作戰(zhàn)方式,充分發(fā)掘和利用無人子機隱蔽性強、可探測性低的特點,在前期載機平臺對目標(biāo)實施偵察或根據(jù)地面情報預(yù)先進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上,通過無人子機抵近偵察,實現(xiàn)對目標(biāo)的精細(xì)化成像。偵察信息則通過數(shù)據(jù)鏈回傳至載機平臺地面站,供情報人員判讀。因此,從載機平臺投放的空投型無人子機可以很好地解決多機間協(xié)同的問題。
本文將分別結(jié)合美軍在直升機、有人機、無人機平臺上進(jìn)行的多次發(fā)射無人子機的試驗,對美軍無人子機的發(fā)展進(jìn)行介紹,并總結(jié)其特點。
在“多域作戰(zhàn)”思想和縱深攻擊概念的牽引下,美國陸軍開展了“未來攻擊偵察機” FARA項目。FARA項目采用“模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)”,以網(wǎng)絡(luò)為中心思路,通過攻擊直升機和無人機混合編隊實現(xiàn)遠(yuǎn)程精確攻擊。無人子機的定位采用模塊化任務(wù)負(fù)載,執(zhí)行偵察、欺騙、干擾、網(wǎng)絡(luò)中繼等任務(wù)。
在項目實施上,攻擊直升機并不進(jìn)入敵方防空火力范圍,而是由直升機空中發(fā)射的“空中發(fā)射效應(yīng)單元”(ALE)執(zhí)行任務(wù)。ALE進(jìn)入敵防空圈執(zhí)行偵察任務(wù),獲取相關(guān)戰(zhàn)場信息,然后由敵防空圈外的直升機發(fā)射遠(yuǎn)程制導(dǎo)彈藥摧毀目標(biāo)。
2020年3月,美國陸軍在UH-60“黑鷹”直升機上進(jìn)行了前射艾利爾埃(Area-I)公司“發(fā)射管整合空射無人系統(tǒng)”(ALTIUS)的演示。2020年5月,美國陸軍再次基于“黑鷹”直升機空射ALTIUS無人機,進(jìn)一步演示了空中發(fā)射無人機概念。
在試驗中,ALTIUS-600從UH-60“黑鷹”直升機短翼下的發(fā)射筒中彈出,機翼展開,后螺旋槳啟動,然后ALTIUS-600在到達(dá)任務(wù)區(qū)后,在“黑鷹”直升機的控制和指揮下飛行,并通過數(shù)據(jù)鏈將偵察圖像實時回傳。
2013年,美國軍方為P-8A具備對抗?jié)撏У母邞?zhàn)斗力創(chuàng)造了條件。為了解決P-8A磁異常探測器(MAD)不能在高空使用,導(dǎo)致潛艇定位不足的問題,美國海軍研究辦公室批準(zhǔn)BAE公司開發(fā)一種“無人瞄準(zhǔn)航空系統(tǒng)”(UTAS)微型無人機,可直接從P-8A發(fā)射。UTAS微型無人機如圖3所示。UAV可以裝備MAD尋找潛艇,UTAS可以自動將目標(biāo)數(shù)據(jù)返回到P-8A。
配備UTAS的P-8A可以直接投放高空魚雷,在GPS系統(tǒng)的引導(dǎo)下攻擊敵方水面艦艇或潛艇,而無需接近敵方防空武器的射程然后開火,這大大提高了機組人員的生存和突襲能力。
2015年9月,美國DARPA啟動了小精靈項目的研究。項目計劃通過C-130運輸機和B-52/B-1轟炸機等大型飛機平臺投放無人機群。在敵方防御區(qū)邊緣遠(yuǎn)程識別目標(biāo)后,編隊協(xié)同進(jìn)入防御邊界,在短距離內(nèi)對某些目標(biāo)執(zhí)行敵情探測、電子攻擊和空間定位等作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)完成后,離開敵方防御區(qū),用C-130運輸機回收機群。
“小精靈”項目的關(guān)鍵技術(shù)包括:空中發(fā)射回收技術(shù);協(xié)作技術(shù);低成本耐磨無人機機身設(shè)計和發(fā)射平臺的低成本改裝技術(shù)。
2016年10月,美國國防部長戰(zhàn)略辦公室計劃并實施了無人機“蜂群”戰(zhàn)術(shù)演習(xí)的空中發(fā)射。2017年1月,3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機在Ma0.6下,連續(xù)投放103架“灰山鶉”無人機。無人機“蜂群”在地面站指揮下,通過機間通信與合作,成功完成了集體決策、自主修正和自適應(yīng)編隊飛行。
2020年9月,美國通用原子公司在MQ-9“死神”無人機上開展了“雀鷹”小型無人機掛載試驗。該無人機掛載于MQ-9無人機機翼通用掛架下,投放分離后旋轉(zhuǎn)90度展開。
“雀鷹”無人機可擴展MQ-9無人機的傳感器探測范圍,也可用于實施電子戰(zhàn)、迷惑和干擾敵方防空,還可發(fā)展為巡航導(dǎo)彈,完成硬摧毀任務(wù)。
2021年3月,美國空軍的XQ-58A“女武神”隱形無人機首次從其內(nèi)埋武器艙發(fā)射了ALTIUS-600小型無人機系統(tǒng)。ALTIUS-600可以配合XQ-58A遂行攝像、情報收集甚至執(zhí)行殺傷任務(wù)。
2021年5月,通用原子航空系統(tǒng)公司表示其正在開發(fā)一種新型“空射效應(yīng)”無人機。無人機有V形尾翼,由螺旋槳推進(jìn)。其可協(xié)助MQ-9或MQ-1C無人機滲透、瓦解和對抗反介入/區(qū)域拒止防空力量,使大型飛機遠(yuǎn)離戰(zhàn)術(shù)地空導(dǎo)彈的攻擊區(qū)域,并提高大型飛機的生存能力。
本文對美國基于直升機、有人機、無人機平臺空投無人子機進(jìn)行相關(guān)分析,總結(jié)出其網(wǎng)絡(luò)化、低成本、可損耗、多功能的特點。在作戰(zhàn)使命上,無人子機平臺既要保證主戰(zhàn)平臺有效生存,又要實現(xiàn)對敵偵察壓制。
為滿足這一系列作戰(zhàn)使命,無人子機需要具備三大方面的能力。一是快速編隊協(xié)同能力,無人子機從載機平臺投放分離之后,子機和載機平臺之間需要快速編隊組網(wǎng),具備較高的時效性。對于無人機的機群,需要具備較強的組網(wǎng)能力。二是適用于強對抗、強拒止的作戰(zhàn)環(huán)境,無人子機需要代替載機前出,進(jìn)入危險區(qū)域執(zhí)行偵察任務(wù),然后將偵察數(shù)據(jù)回傳,由載機平臺對目標(biāo)進(jìn)行打擊。三是要求無人子機有較強的自主性,其需要具備在不受人的干預(yù)、非預(yù)知環(huán)境下自動實現(xiàn)給定任務(wù)的能力。
無人子機涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有:空中發(fā)射與回收技術(shù);載機與子機、子機與子機間協(xié)同技術(shù);集群無人子機自動發(fā)射策略;小型分布式有效載荷集成;集群自主協(xié)同技術(shù)等。
無人機平臺在執(zhí)行偵察打擊任務(wù)時,由于存在實戰(zhàn)條件限制、地形和天氣等各種因素所導(dǎo)致的不利情況,暴露出載機缺乏對小目標(biāo)抵近偵察、判斷目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力,造成貽誤戰(zhàn)機或不必要的附加傷害。而無人子機從載機平臺投放后,可按需對目標(biāo)進(jìn)行抵近偵察,并通過數(shù)據(jù)鏈將偵察信息回傳載機平臺和地面站。無人子機典型應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 空投型無人子機典型應(yīng)用場景
為了進(jìn)一步提高在特定作戰(zhàn)環(huán)境下的近距偵察能力,結(jié)合目前國內(nèi)無人機的實際應(yīng)用場景,無人子機應(yīng)主要協(xié)助載機提升三項能力。
1)提升對隱蔽目標(biāo)的偵察能力,對于地形、建筑等特殊環(huán)境,要求通過無人子機低空懸停、繞飛等方式,多視角協(xié)同載機偵察。
2)提升對人員類目標(biāo)細(xì)節(jié)特征獲取能力,通過無人子機實現(xiàn)近距偵照,獲取人員類目標(biāo)細(xì)節(jié)特征,為載機進(jìn)一步打擊提供準(zhǔn)確決策依據(jù)。
3)提升環(huán)境適應(yīng)能力,利用投放無人子機的方式彌補載機在有云氣象條件下任務(wù)執(zhí)行效果下降的不足。
根據(jù)國內(nèi)近距偵察的任務(wù)需求,本文創(chuàng)新性提出一種不同于美軍固定翼無人子機的共軸雙旋翼無人子機設(shè)計思路。與美軍固定翼無人子機相比,這種設(shè)計主要針對近距偵察的作戰(zhàn)場景,共軸雙旋翼無人機能夠?qū)崿F(xiàn)空中高效高穩(wěn)地懸停,進(jìn)而對目標(biāo)進(jìn)行偵察。
載機平臺主要由三大系統(tǒng)組成,分別是無人機系統(tǒng)、地面控制站系統(tǒng)和地面保障系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)主要包括機體、飛控系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、飛機接口及線束、機載鏈路終端和任務(wù)系統(tǒng)。地面控制站系統(tǒng)主要包括指揮控制系統(tǒng)、地面鏈路終端和情報處理系統(tǒng)。地面保障系統(tǒng)主要包括信息資源保障系統(tǒng)和保障資源。
在載機平臺上掛裝空投型無人子機,主要涉及到任務(wù)系統(tǒng)中任務(wù)管理系統(tǒng)和外掛與武器系統(tǒng)的更改。對于任務(wù)管理系統(tǒng),需要加裝子母機通訊終端和子母機通訊天線。對于外掛與武器系統(tǒng),需要新研無人子機掛架。載機平臺系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 載機平臺系統(tǒng)組成
無人子機系統(tǒng)由用于進(jìn)行減速及姿態(tài)調(diào)整的分離減速裝置,為無人子機提供保溫功能的保護(hù)筒和無人子機組成。無人子機系統(tǒng)組成如圖3所示。
減速分離裝置包含減速傘艙、減速傘系統(tǒng)。減速傘艙用于安裝、固定減速傘。減速傘系統(tǒng)由一級傘、二級傘和連接分離機構(gòu)構(gòu)成,其中連接分離機構(gòu)包括傘艙蓋與傘艙連接分離機構(gòu)、保護(hù)筒與傘艙連接分離機構(gòu)和無人子機與傘艙連接分離機構(gòu)。
共軸雙旋翼無人子機由旋翼系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機身結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、任務(wù)載荷及數(shù)據(jù)鏈終端等部分組成。共軸雙旋翼無人子機組成如圖4所示。
載機平臺攜帶無人子機巡航至目標(biāo)區(qū)域上空,在一定距離外,載機平臺使用EO等光電偵察設(shè)備對目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤﹤刹欤卸繕?biāo)位置,投放、指引無人子機抵近目標(biāo);無人子機接近目標(biāo)后,選擇有利視角,對目標(biāo)進(jìn)行近距精細(xì)化成像,無人子機偵察信息通過子機數(shù)據(jù)鏈回傳至載機平臺,然后載機平臺將數(shù)據(jù)傳至載機平臺地面站,供情報人員判讀,為進(jìn)一步打擊提供更為詳實的決策依據(jù)。
無人子機執(zhí)行任務(wù)過程中主要分為掛機階段、下降展開、任務(wù)階段、回收/自毀階段。
4.3.1 掛機階段
無人子機通過掛架懸掛于載機平臺。
4.3.2 下降展開階段
無人子機投放后開傘降落到預(yù)定位置,穩(wěn)定姿態(tài)后展開旋翼,脫傘后開始可控動力飛行。
4.3.3 任務(wù)階段
無人子機動力工作且進(jìn)入可控狀態(tài)后,無人子機根據(jù)指令或任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行任務(wù)。
4.3.4 回收階段
無人子機根據(jù)指令或條件自動判斷從任務(wù)階段進(jìn)入回收飛行。
4.3.5 自毀階段
無人子機根據(jù)指令或條件自動判斷進(jìn)入自毀階段。
無人子機各階段任務(wù)流程如圖5所示。

圖3 無人子機系統(tǒng)

圖4 共軸雙旋翼無人子機組成

圖5 無人子機任務(wù)流程
無人子機從載機平臺投放后,無人子機進(jìn)入下降展開階段,經(jīng)過自動開傘、脫傘和旋翼展開,無人子機與載機平臺通過數(shù)據(jù)鏈建立無線通信,上傳當(dāng)前工作狀態(tài)和參數(shù)。地面站接收子機信號并控制飛行,無人子機進(jìn)入動力飛行階段,后續(xù)自動進(jìn)入任務(wù)階段。
無人子機的飛行模式主要包含:目標(biāo)跟飛、目標(biāo)繞飛、航路點導(dǎo)航飛行、懸停飛行和手動控制飛行。無人子機飛行模式切換如圖6所示。

圖6 子機飛行模式切換
目標(biāo)跟飛是無人子機根據(jù)載機平臺共享的目標(biāo)信息或子機本身偵察的目標(biāo)信息,與目標(biāo)保持一定的距離并跟蹤飛行。目標(biāo)繞飛是無人子機根據(jù)載機平臺共享的目標(biāo)信息或子機本身偵察的目標(biāo)信息,與目標(biāo)保持一定的距離并繞行飛行。航路點導(dǎo)航飛行時無人子機根據(jù)預(yù)先加載給任務(wù)機的規(guī)劃,按照航路點進(jìn)行飛行,子機到點后返回到點狀態(tài),載機任務(wù)機再向子機發(fā)送下一航點位置信息。懸停飛行是指無人子機在當(dāng)前位置保持懸停飛行。手動控制飛行是指無人子機根據(jù)地面人員操控指令進(jìn)行飛行。
當(dāng)無人子機進(jìn)入任務(wù)階段后,地面站對子機攜帶的EO進(jìn)行控制,首先載機任務(wù)機將接收到的地面站控制指令和參數(shù)發(fā)送給數(shù)傳端機,端機再通過無線信號發(fā)送給無人子機。子機載荷根據(jù)指令進(jìn)行響應(yīng),并將響應(yīng)后的狀態(tài)和EO視頻信息回傳給地面站。
若無人子機需要回收,載機將回收點坐標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)給無人子機,無人子機確認(rèn)回收點狀態(tài)信息并將其回傳給地面站,無人子機進(jìn)入回收階段并朝目標(biāo)點飛行;若無人子機不需要回收,則載機不向無人子機轉(zhuǎn)發(fā)回收點坐標(biāo)。若無人子機剩余電量只滿足飛往當(dāng)前回收點時,無人子機自動進(jìn)入回收階段。當(dāng)?shù)孛嫒藛T發(fā)出子機進(jìn)入自毀指令時,無人子機進(jìn)入人工自毀階段。若無人子機剩余電量減小到一定門限,子機自動進(jìn)入自毀階段,地面人員也可以發(fā)出指令,中止子機的自毀。
無人子機投放后需要經(jīng)歷3次分離過程。第一次分離過程中,傘艙蓋分離,一級減速傘打開,對無人子機進(jìn)行減速及調(diào)速姿態(tài)。一級減速傘展開后,牽引二級減速傘打開,進(jìn)一步對子機進(jìn)行減速。子機判斷滿足二級傘開傘條件后,發(fā)出指令點爆連接分離機構(gòu),保護(hù)筒和無人子機分離,子機空中起槳。最后,無人子機與二級減速傘分離,子機進(jìn)入自主飛行階段。無人子機投放分離過程如圖7所示。

圖7 無人子機投放分離過程
4.5.1 載機平臺與無人子機的協(xié)同
基于數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)載機平臺和子機間的自動協(xié)同。在本設(shè)計中,根據(jù)無人子機實時位置和無人子機數(shù)據(jù)鏈的作用限制,任務(wù)系統(tǒng)實時計算出所需的任務(wù)航向,并將航線信息轉(zhuǎn)為控制參數(shù)發(fā)送給載機平臺,完成對載機平臺的自動導(dǎo)引飛行。在后續(xù)設(shè)計中,除了考慮單個載機平臺和單個無人子機的協(xié)同,還需要考慮載機平臺與載機平臺之間、載機平臺和多個子機之間的協(xié)同,即完成從獨立平臺間的協(xié)同組網(wǎng)到分布式平臺間的協(xié)同組網(wǎng)。
4.5.2 無人子機多階段的機構(gòu)分離技術(shù)
無人子機前后需要經(jīng)過3次分離過程,兩次降落傘展開并脫傘的過程,以及無人子機空中起控的過程,相比于美國從載機平臺上空射無人子機的設(shè)計,本設(shè)計對于無人子機的分離控制提出了較高的要求。但本設(shè)計帶來的優(yōu)點也是顯而易見的,采用載機平臺重力投放、降落傘傘降的減速方式,發(fā)射后,與牢固安裝的機翼相比,無人機受載機平臺產(chǎn)生的廢氣和載機相對運動速度的影響較小。
4.5.3 高效高穩(wěn)懸停無人偵察子機技術(shù)
對于遂行高精度偵察的無人子機平臺,要求無人子機任務(wù)載荷能夠快速穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo),其懸停穩(wěn)定性是完成任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù),這里無人子機采用了共軸雙旋翼技術(shù),以滿足懸停穩(wěn)定性的要求。影響載荷偵察精度的因素主要有兩個,一是無人子機位置漂移,二是系統(tǒng)的姿態(tài)控制。為了保證無人子機平臺的位置、姿態(tài)穩(wěn)定性,需要嚴(yán)格控制其俯仰、方位角速率誤差,將俯仰、方位姿態(tài)穩(wěn)定控制限幅速率限定在一個合適的范圍,以保證任務(wù)載荷快速穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。
4.5.4 目標(biāo)定位及識別技術(shù)
目標(biāo)觀測需要實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的高精度定位識別。當(dāng)無人子機處于識別模式時,要實時跟蹤目標(biāo),僅依靠載荷本身的跟蹤能力難度較大,還需要依賴載機本身的移動特性。同時,需采用關(guān)鍵點檢測技術(shù)、圖像預(yù)處理技術(shù)、圖像特征提取技術(shù)、圖像對比識別技術(shù)、ERR識別效果評測、3D模型生成技術(shù)等技術(shù)手段,加強無人子機目標(biāo)識別的能力。
4.5.5 無人子機隱蔽安全性設(shè)計技術(shù)
無人子機隱蔽技術(shù)包括光電隱蔽、降噪控制、反電磁探測等技術(shù)。對于共軸雙旋翼無人子機,要實現(xiàn)近距隱蔽偵察的目標(biāo),其降噪控制十分關(guān)鍵。降噪控制可以從兩個方面進(jìn)行考慮:1)通過技術(shù)改進(jìn)將共軸雙旋翼無人子機本身的噪聲降低;2)提高子機平臺傳感器的探測能力,使無人子機能夠在更遠(yuǎn)的距離上探測目標(biāo),從而使無人子機更不容易被敵方發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)下,要解決因噪聲帶來的共軸雙旋翼無人子機隱蔽問題,需要綜合評估子機傳感器能力和噪聲程度,得出一個最小隱蔽探測距離,無人子機應(yīng)該在此距離外探測目標(biāo)。
4.5.6 無線數(shù)傳技術(shù)
為了實現(xiàn)無人子機系統(tǒng)與地面平臺之間的數(shù)據(jù)交換,必須選擇無線電數(shù)據(jù)傳輸模塊作為它們之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁,完成無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)置的傳輸以及遙控和地面平臺控制命令的上傳。鑒于機體的載荷限制和尺寸要求,選擇NRF24L01作為數(shù)據(jù)傳輸模塊。工作頻段為2.4 GHz,數(shù)據(jù)傳輸范圍可達(dá)100~200 m,數(shù)據(jù)傳輸速率為1 MB/s,完全滿足本階段設(shè)計要求。微控制器通過串行USART端口讀取數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息,另一端連接到地面平臺,無人機位置信息通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹?/p>
隨著先進(jìn)武器裝備的發(fā)展和作戰(zhàn)環(huán)境的變化,對無人子機系統(tǒng)提出了新的要求。當(dāng)下對無人子機的需求極其迫切,不管是城市治安或是可能遇到的局部低烈度戰(zhàn)爭,乃至大國間的體系化戰(zhàn)爭,無人子機都能開拓新的作戰(zhàn)場景,提供新的解決思路。目前,我國仍處于無人子機應(yīng)用的初期探索階段,本文在總結(jié)分析美國無人子機應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上,提出了一種基于無人機平臺空投偵察型無人子機的應(yīng)用場景,并就無人子機掛裝于載機平臺,對載機任務(wù)系統(tǒng)上進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計。在空投型無人子機的后續(xù)發(fā)展中,從無人子機的角度需要考慮任務(wù)載荷的有效性、匹配性等問題,從載機平臺的角度需要關(guān)注無人子機集群場景下的協(xié)同、回收等問題。就無人子機而言,其發(fā)展不應(yīng)當(dāng)局限于自身的各項性能要求,而是應(yīng)該從整體出發(fā),由載機平臺推動,由需求引領(lǐng),推動無人子機的探索和發(fā)展。